小浮萍中铕的毒性无法仅由磷缺乏来解释

《Aquatic Toxicology》：Europium toxicity in Lemna minor cannot be explained by phosphorus deficiency alone

　　

摘要

稀土元素（包括铕（Eu））采矿业的快速扩张引发了对水生生态系统潜在污染的担忧。本研究以水生大型植物浮萍（Lemna minor）为对象，检验了铕毒性是由磷缺乏所引起的假设。化学平衡模型预测，在培养基中铕和磷酸盐以一对一的比例结合，表明没有可溶性铕离子，且磷酸盐离子减少了20%。所使用的铕浓度不具有环境相关性；选择该浓度是因为它有可能结合足够的磷酸盐，从而在植物中引发缺乏反应。尽管预测没有可溶性铕，但在含有1 mM铕和4或5 mM总磷酸盐的培养基中生长15天的植物，分别累积了19.3 ± 3.2或27.5 ± 8.0 μg/g的铕。铕毒性的症状包括：叶状体数量减少34%，叶状体面积缩小45%，相对于对照生物量减少35–55%。相比之下，被给予80%磷酸盐以模拟铕-磷酸盐络合物的植物，仅比对照植物小16–32%。在培养基中，与对照相比，接受铕或80%磷酸盐处理的植物中酸磷酸酶活性增加了44%，而接受铕和120%磷酸盐处理的植物中酸磷酸酶活性与对照相等。该酶可能将铕和磷酸盐从络合物中释放出来，这解释了受铕处理植物能够与对照植物积累同样多磷酸盐的能力。总之，铕毒性对浮萍的影响大于铕诱导的磷缺乏所能解释的范围。

引言

稀土元素（REEs）包括钇、钪和15种镧系金属，其中包括铕（Natural Resources Canada, 2026）。“稀土”这一名称并不意味着稀缺。最丰富的稀土元素铈比铜或锌等金属更为常见（Haxel等, 2005）。稀土元素因其独特的性质和广泛的应用而被广泛开采（Balaram, 2019）。稀土元素向环境中的释放主要由稀土开采、其在工业和农业中的广泛应用（Kotelnikova等, 2021）以及电子废弃物的不当处置（Peiravi等, 2020）所驱动。

稀土元素在氧化环境和含水溶液中以三价阳离子形式存在，并具有独特的电气和化学性质（Atwood, 2013）。其中两种性质与生物系统相关。第一种是所谓的“镧系收缩”现象，源于其4f轨道的逐步填充（Atwood, 2013）。镧系收缩使得稀土元素的原子半径与二价钙（Ca²⁺）的原子半径相近（Das等, 1988）。第二种是它们对磷酸盐（PO₄^3-）的强结合亲和力，这会导致不溶性化合物的形成，从而限制稀土元素和PO₄^3-的环境迁移性和生物有效性（Brown等, 1990）。

在植物中，稀土元素的毒性症状与其他重金属相似。例如，给予5 μM铈的玉米（Zea mays）地上部干重比对照低35%（Diatloff等, 2008），而给予1 mM铈的浮萍（Lemna minor）相对生长率比对照低约65%（Zicari等, 2018）。在浮萍中，铈毒性还表现为叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的浓度减少20–75%，以及过氧化氢浓度增加50%至4倍（Zicari等, 2018）。

稀土元素植物毒性的机制目前仍有争议。稀土元素与必需阳离子的相互作用可以破坏必需营养元素的平衡，且稀土元素已被证明可以改变基因表达（Yin等, 2021综述），但这些更可能是间接效应。直接毒性可能是由于稀土元素在细胞内替代了二价钙和镁离子（Ca²⁺和Mg²⁺）（Brown等, 1990）。Ca²⁺的替代会破坏钙信号通路（Zeng等, 2003），而铕和镝都与光系统II中的Ca²⁺结合位点相互作用（Burda等, 1995）。铈可以替代叶绿素a卟啉环中的Mg²⁺（McGaughey等, 2025），而钇抑制了光系统II中依赖Mg²⁺的电子传递（Xu等, 2019）。另一种非互斥的毒性机制假设是，由于培养基中不溶性磷酸盐络合物的形成而导致的稀土元素诱导的磷缺乏（Ruíz-Herrera等, 2012）。在暴露于稀土元素的植物中观察到的磷浓度降低（Tyler和Olsson, 2005）以及生长减少，是支持该机制的间接证据。

铕是商业价值最高的稀土元素之一，被公认为在发光和光学应用中作为红色磷光体发挥作用（Haxel等, 2005）。铕在消费电子产品中的广泛应用，加之较低的回收率，导致铕通过淋溶和风化过程进入环境（Yu等, 2016）。采矿和工业使用产生的废水也可能将铕带入水生环境，这一点在其他稀土元素中已被证实（Lachaux等, 2022）。在河水中，加拿大圣劳伦斯河中铕的浓度范围为0.020至0.034 μg/L（Romero-Freire等, 2019）；在中国矿区附近的河流中，铕的浓度范围为0.016至5.59 μg/L（Liang等, 2014）。植物可以积累铕。Romero-Freire等（2019）报道问荆（Equisetum arvense）中铕含量为7至99 ng/kg，宽叶香蒲（Typha latifolia）中为61–298 ng/kg。

与其他稀土元素（如镧、铈和钆）相比，关于铕植物毒性的研究较为匮乏（Manusad?ianas等, 2020）。铕毒性的症状与其他稀土元素相似。在土壤中添加1.09 mmol/kg铕种植的大麦（Hordeum vulgare）干重减少50%，总叶绿素减少70%，光合速率降低65%，许多抗氧化酶活性比对照植物高10–100%（Amer等, 2023）。在土壤中添加40 mg/kg铕种植的Triticum属植物干重减少40%，叶绿素a减少45%，光合速率降低40%，谷胱甘肽浓度增加100%，但某些其他抗氧化剂无变化（Alsherif等, 2024）。Pellegrino等（2022）在土壤中添加5000 mg/kg铕种植硬小麦（Triticum durum）和番茄（Solanum lycopersicum），报道地上部干重比对照减少10–20%。

铕的植物毒性机制预计与其他稀土元素相似。Eu³⁺的离子半径与Ca²⁺功能等效，使Eu³⁺易于替代Ca²⁺（Gonzalez等, 2014），从而产生毒性。与Ca²⁺相比，Eu³⁺多一个正电荷，导致更高的电荷密度（Thomas等, 2014），从而与膜、蛋白质和酶上的阴离子位点产生更强的静电结合。同样，与其他稀土元素类似，铕毒性可能表现为培养基中不溶性EuPO₄的形成导致的PO₄^3-缺乏（Brown等, 1990），以及植物可生物利用磷（P）的减少。

磷缺乏表现为花青素增加（Retana-Cordero和Nunez, 2025）、地上部长度缩短以及叶面积/数量减少（Mishra等, 2024）。经过5天处理后，磷缺乏使芜萍（Spirodela oligorrhiza）的叶状体数量减少约50%，鲜重降低90%（Bieleski, 1968）。在内部，磷缺乏损害关键的生理功能，导致叶绿素含量和光合速率降低（Meng等, 2021）。虽然土壤中大多数有机磷不具有生物有效性，但植物根系可以分泌被称为磷酸酶的酶，通过水解胞外环境中有机磷络合物来释放无机磷（Lambers, 2022）。胞外磷酸酶在植物中很常见，被用作磷缺乏的标志物（Vance等, 2003）。根据功能pH和相应的辅因子，磷酸酶分为两类。酸磷酸酶在酸性条件下发挥作用，使用辅因子Zn²⁺和Fe³⁺激活（Klabunde等, 1996）。碱性磷酸酶在碱性条件下发挥作用，使用辅因子Ca²⁺和Mg²⁺激活，而Eu³⁺可以替代这两种金属离子（Quisel等, 1996）。

本研究旨在隔离并检验铕毒性的一个潜在机制。具体来说，我们检验了铕毒性是由培养基中Eu³⁺与PO₄^3-之间的络合导致的磷缺乏所引起的假设。研究目标包括量化浮萍中铕和磷的积累，并比较铕暴露与磷剥夺的一些形态学和生理反应。如果假设得到支持，我们预测被给予减少磷酸盐的植物将与被给予铕的植物表现出相同的反应，而被给予铕和额外磷酸盐的植物将与对照植物表现出相同的反应。

章节摘要

生物体和培养条件

Lemna minor品系#490购自加拿大藻类培养中心（https://uwaterloo.ca/canadian-phycological-culture-centre/）。浮萍是一种优秀的水生模式实验室生物，以易于培养、生长迅速（Ziegler等, 2016）和具有金属积累能力（Jenner和Janssen-Mommen, 1989）而著称。加拿大环境部（ECCC, 2017）发布的指南突出了浮萍在毒理学评估中的实用性。

浮萍的培养方法如Moody所述

元素测量

进行元素测量以确定铕是否能被植物吸收以及铕暴露是否影响磷的吸收。+Eu和+Eu/↑PO₄^3-组植物的铕浓度是对照组、↓PO₄^3-组和No PO₄^3-组植物的100倍以上（图1A）。这表明尽管培养基中的Eu³⁺预计已与PO₄^3-结合，但浮萍仍积累了铕。然而，在PO₄^3-存在的情况下，植物吸收的铕量不到溶液中铕总量的0.08%。每组

结论

通过将化学平衡建模、元素定量以及形态学和生理测量相结合，我们证明在测试条件下，减少可用磷酸盐并不能重现铕毒性在浮萍中的症状。我们的结果表明，在培养基中可能形成的EuPO₄络合物可能会在实验室测试期间降低可生物利用铕的浓度，从而可能导致对铕毒性的低估。由于

CRediT作者贡献声明

Simón A. Maturana：写作——审阅与编辑，写作——初稿，可视化，验证，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。Sheila M. Macfie：写作——审阅与编辑，监督，资源，项目管理，方法论，资金获取，概念化。

Simón A. Maturana|Sheila M. Macfie

加拿大西部安大略大学生物学系，伦敦，ON N6A 5B7，加拿大